內(nèi)嵌式多自由度吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)降噪性能影響因素研究

李文智，陳忱，黃建萍，焦麗娟，紀(jì)雙英

(1.中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中國航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300；3.中國飛機強度研究所，西安 710065)

0 引言

吸聲材料作為一種有效降低噪聲傳播的手段，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如傳統(tǒng)多孔材料[1-2]。而低頻噪聲作為主要需要消除的噪聲頻段，為達(dá)到理想的降噪水平，往往要將材料的厚度提升到與低頻噪聲相近的30～50 mm尺度，這不利于材料力學(xué)性能的保證和減重設(shè)計的實現(xiàn)[3]。尤其對于直升機這種力學(xué)性能和減重性能都十分敏感的飛行器，傳統(tǒng)依靠厚度實現(xiàn)降噪的材料結(jié)構(gòu)往往不再適用。與此同時，因旋翼、發(fā)動機等產(chǎn)生的噪聲會使運行的直升機艙長時間處于強噪聲環(huán)境，嚴(yán)重危害了機載人員的身心健康以及直升機內(nèi)部精密設(shè)備的安全可靠運行，直升機艙內(nèi)減振降噪又勢在必行[4]。

近年來，一些國家也已經(jīng)或正在將直升機噪聲水平列入適航條款要求，民用直升機設(shè)計要求逐漸提高。同時，美國和歐盟正在研發(fā)更有效的發(fā)動機降噪技術(shù)。2001年，歐盟航空研究咨詢委員會(ACARE)和戰(zhàn)略研究局(SRA)確定了2020年大飛機的發(fā)展目標(biāo)：相對2000年的技術(shù)水平，噪聲降低50%[5]。

為了解決降噪材料厚度過大、不滿足設(shè)計需要與減振降噪需求的矛盾，一種基于共振器機理的、適用于中低頻降噪的吸聲結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。鑒于蜂窩夾層復(fù)合材料在飛行器上已廣泛應(yīng)用[6-9]，同時結(jié)合微穿孔面板、赫姆霍茲理論，“可降噪蜂窩結(jié)構(gòu)”這一結(jié)構(gòu)—功能一體化的概念被隨之提出[10-11]，吸聲蜂窩材料得到了快速研究和發(fā)展，基于共振吸聲結(jié)構(gòu)而制造的蜂窩穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)成為了飛機上采用的最為廣泛的消聲方案。這類結(jié)構(gòu)是由具有一定厚度的蜂窩芯材耦合多孔上面板和無孔下面板組合而成的，其消聲機理為上下兩層面板組成，其中上面板為鉆有一定數(shù)量、一定孔徑的穿孔板。這類材料利用每一個蜂窩孔格的赫姆霍茲共振機制來實現(xiàn)降噪目的，已被眾多研究人員證實其能有效拓寬吸聲降噪頻段，尤其是低頻吸聲頻段[12-17]。現(xiàn)階段國外赫氏公司已經(jīng)實現(xiàn)了單自由度、雙自由度以及多自由度降噪蜂窩的研制與應(yīng)用[18-19]，可以針對應(yīng)用目標(biāo)的多個噪聲特征頻率來設(shè)計吸聲結(jié)構(gòu)，增強了吸聲結(jié)構(gòu)降噪的適應(yīng)性(圖1)。同時，國內(nèi)以此開展了相應(yīng)的工程化研究工作。

圖1 赫氏公司生產(chǎn)的內(nèi)嵌式吸聲蜂窩典型外觀

本文基于直升機主減面板降噪需求，耦合降噪和減重雙重效益，對內(nèi)嵌式多自由度吸聲降噪結(jié)構(gòu)中蜂窩主要參數(shù)對結(jié)構(gòu)的降噪性能進行分析評估，主要包含腔深總厚度、腔深分布厚度以及上下面板厚度等因素，同時對未來該吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)用方向提出思路。

1 實驗設(shè)計和方法

1.1 結(jié)構(gòu)制備

內(nèi)嵌式多自由度吸聲蜂窩的制備是在單層蜂窩內(nèi)部設(shè)計深度內(nèi)嵌入一層或多層微穿孔隔膜板，并用特定膠黏劑固定在蜂窩內(nèi)部，然后利用專用的熱破膠黏劑分別將微穿孔上面板和復(fù)合材料下面板粘接在一起。其中上下面板采用中溫固化環(huán)氧預(yù)浸料制造，并利用機械鉆孔的方式實現(xiàn)在微穿孔上面板的加工。蜂窩采用密度為48kg/m3的芳綸紙蜂窩，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，最后通過加熱加壓的方式最終固化成型。

圖2 內(nèi)嵌式多自由度吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)形式

除微穿孔隔膜嵌入工藝與傳統(tǒng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制備方式不同外，面板粘接工藝流程也稍有不同。為避免膠膜與微穿孔面板直接鋪貼粘接固化導(dǎo)致的微穿孔堵塞現(xiàn)象，吸聲蜂窩表面膠膜鋪貼后先進行高溫?zé)崞撇僮?，膠膜軟化并潤濕于蜂窩孔壁上(圖3)，隨后再與微穿孔上面板和剛性下面板復(fù)合形成內(nèi)嵌式多自由度吸聲蜂窩。

圖3 熱破膠膜熱破孔前后膠膜附著形式

由于內(nèi)嵌式多自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)的原理為赫母霍茲共振器，其吸聲性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)息息相關(guān)，而降噪性能又與吸聲性能密不可分。因此，為研究該結(jié)構(gòu)降噪性能的影響因素，以結(jié)構(gòu)最為簡單的雙自由度共振吸聲結(jié)構(gòu)為研究結(jié)構(gòu)出發(fā)點，基于實際蜂窩應(yīng)用結(jié)構(gòu)，開展了腔深總厚度、腔深分布厚度以及上下面板厚度對蜂窩降噪性能影響的研究(表1)。

表1 各試件結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 性能測試

對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)嵌式多自由度共振吸聲蜂窩開展了吸聲系數(shù)測試，并對降噪性能最好的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行隔聲性能測試，以評估其真實降噪能力。

1.2.1 吸聲系數(shù)測試

吸聲性能測試按照傳遞函數(shù)法，采用B&K4206阻抗管進行，如圖4所示。阻抗管一端接聲源，另一端安裝試件，管中的平面波由聲源產(chǎn)生，干涉場的分析則用兩只安裝在管壁一定位置的傳聲器作兩點聲壓的測量來實現(xiàn)，用不同尺寸或直徑和間距作組合，可得到不同測量頻率范圍。試驗中設(shè)置的頻率測量范圍為500～4 000 Hz。

圖4 阻抗管

在阻抗管測試中，由于樣品邊緣周圍的間隙會影響測試結(jié)果，因此將樣品用柔性密封件緊密包裝[20]。

(1)

m2(t)=A2[pi(t+l/c0)+pr(t-l/c0)]

(2)

(3)

(4)

其中pi、pr分別表示入射波和反射波；A1、A2分別表示傳聲器1、2的靈敏度有關(guān)的量；c0為聲速。

傳聲器1、2的輸出振幅和相位一樣時，即A1=A2=A，則如式(5)、(6)所示：

(5)

(6)

u(t)是入射波的函數(shù)，v(t)是反射波的函數(shù)。

法向聲阻抗率Z(ω)/ρ0C0以及垂直入射聲吸收系數(shù)αp可由式(7)、(8)得到：

(7)

(8)

其中V(ω)和U(ω)分別為u(t)和v(t)的傅立葉變換，最終可以獲得材料的吸聲系數(shù)。

2.2.2 隔聲性能測試

隔聲性能測試如圖5所示。采用聲導(dǎo)箱對全尺寸內(nèi)嵌式多自由度共振吸聲蜂窩的降噪能力進行測試。其中試樣的平面尺寸為800 mm×800 mm(圖6)。利用B&K3560C數(shù)據(jù)采集分析儀對B&K4189A傳聲器采集的聲導(dǎo)箱內(nèi)、外部聲壓級進行分析，以聲壓差值作為試樣隔聲能力的評價數(shù)據(jù)。

圖5 聲導(dǎo)箱隔聲能力測試

圖6 隔聲能力測試試驗件

2 試驗結(jié)果及分析

對6種結(jié)構(gòu)的吸聲蜂窩進行吸聲系數(shù)測試，在測試頻率內(nèi)的吸聲系數(shù)結(jié)果見表2。從表2可以看到，雙自由度吸聲蜂窩的吸聲系數(shù)均在0.69～0.82之間，這意味著在500～4 000 Hz的頻段內(nèi)，大部分噪聲以結(jié)構(gòu)共振的形式被消耗，轉(zhuǎn)化為熱能。

表2 各結(jié)構(gòu)平均吸聲系數(shù)

分別對比不同腔深總厚度、不同腔深分布厚度以及不同面板厚度的吸聲能力，其吸聲系數(shù)曲線如圖7所示。吸聲系數(shù)曲線與橫坐標(biāo)所形成的面積越大，說明該結(jié)構(gòu)的吸聲性能越好。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，各個結(jié)構(gòu)的最大吸聲均可以達(dá)到0.99左右，且隨著腔深總厚度的增加，吸聲系數(shù)曲線上移，吸聲能力逐漸提升，且覆蓋了較寬的頻率范圍。其次，在腔深總厚度一致的前提下，腔深分布越均勻(兩腔深分布厚度差別不大)，吸聲性能越好。最后，對比結(jié)構(gòu)3～6可以看到，面板厚度增加，依靠隔聲導(dǎo)致的吸聲性能有所提升，但提升水平不大；在面臨結(jié)構(gòu)減重滿足需求的前提下，蜂窩結(jié)構(gòu)面板厚度一般不大(不超過1 mm)，較小的厚度變化對吸聲性能的影響不大。厚度增加會提高微穿孔板的吸聲系數(shù)，但是微穿孔板厚度增加會減小高頻范圍內(nèi)的吸聲頻帶，較薄的微穿孔板在低頻有寬的高頻吸聲性能[21]。

圖7 不同腔深總厚度、不同腔深分布厚度及不同面板厚度的吸聲系數(shù)曲線

同時，對結(jié)構(gòu)4進行隔聲性能測試，結(jié)果如圖8所示?？梢钥吹皆?00～6 300 Hz的頻段內(nèi)，平均降噪能力達(dá)到30.80 dB，該數(shù)值相當(dāng)于73.5 mm厚度蜂窩的純物理隔聲降噪能力[22-24]。由此可見，優(yōu)化設(shè)計后的吸聲蜂窩可設(shè)計性效益明顯，厚度相對于純蜂窩隔聲結(jié)構(gòu)降低了近67%。

圖8 最優(yōu)吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)的隔聲降噪能力

4 結(jié)語

因其獨特共振吸聲耗能特性以及良好的設(shè)計性，多自由度降噪蜂窩在國內(nèi)降噪領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注，通過對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的降噪蜂窩進行分析發(fā)現(xiàn)：

(1)結(jié)構(gòu)腔深總厚度與降噪能力成正比；在腔深總厚度一致的前提下，腔深分布越均勻，吸聲性能越好；在現(xiàn)有直升機結(jié)構(gòu)減重設(shè)計前提下，結(jié)構(gòu)面板厚度受到限制，對吸聲性能的影響不大。因此，在重量允許范圍內(nèi)，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)面板厚度、總腔深深度并且各腔深分布越均勻，吸聲蜂窩的吸聲性能越好，這可在設(shè)計時著重考慮。

(2)雙自由度內(nèi)嵌式吸聲結(jié)構(gòu)在某些頻段內(nèi)可以實現(xiàn)99%的入射聲吸收，因此可以根據(jù)減振降噪的設(shè)計需要，將共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲峰段率涵蓋高噪聲頻率，實現(xiàn)對不同降噪需求部位的針對性設(shè)計。

(3)吸聲蜂窩結(jié)構(gòu)可以在更小的厚度下達(dá)到與純物理隔聲結(jié)構(gòu)相近的降噪能力。隨著吸聲蜂窩材料機理研究及其結(jié)構(gòu)設(shè)計向著深入化、成熟化發(fā)展，未來直升機基于材料的降噪設(shè)計將在很大程度上依賴于多自由度吸聲蜂窩的應(yīng)用，其將會在各降噪需求領(lǐng)域上獲得更為廣闊的應(yīng)用前景。